PL233804B1 - Swiatlowodowy przetwornik pomiarowy - Google Patents

Abstract

Światłowodowy przetwornik pomiarowy zawierający naniesioną na koniec włókna światłowodu głowicę sensorową o wielowarstwowej strukturze interferometru Fabry'ego-Perota, zawierającego dwie płasko-równoległe warstwy odbijające, pomiędzy którymi znajduje się wnęka rezonansowa, korzystnie osłoniętą kapilarą, w którym materiałem wnęki rezonansowej (3) jest materiał dwójłomny (4) korzystnie jednoosiowy, zaś światłowód (1) jest światłowodem jednomodowym, pracującym w trybie odbiciowym. Korzystnie materiałem wnęki rezonansowej (3) jest materiał dwójłomny (4) oraz materiał izotropowy (6), przy czym materiał dwójłomny (4) jest w postaci płytki opóźniającej w zakresie od 0,1 do 0,5 długości fali, umieszczonej we wnęce rezonansowej (3) od strony światłowodu (1). Przetwornik jest rozwiązaniem bazowym do budowy czujników parametrów wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie, czy temperatura, w zastosowaniach biomedycznych, biofotonicznych, np. do pomiaru zawartości glukozy, czy poziomu hematokrytu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest światłowodowy przetwornik pomiarowy mający zastosowanie do budowy czujników do pomiarów wybranych parametrów wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie, czy temperatura, w zastosowaniach biomedycznych, biofotonicznych, np. do pomiaru zawartości glukozy, czy poziomu hematokrytu.

Z polskiej dokumentacji patentowej Pat. 204016 znany jest światłowodowy czujnik i sposób pomiaru stężenia wodoru w różnych środowiskach. Światłowodowy czujnik według wynalazku charakteryzuje się tym, że przed zwierciadlaną warstwą katalityczną ma naniesioną chemochromiczną wnękę rezonansową i dielektryczne lub metaliczne zwierciadło półprzepuszczalne, przy czym warstwa katalityczna, chemochromiczna wnęka rezonansowa oraz zwierciadło półprzepuszczalne tworzą wielowarstwową strukturę interferometru Fabry'ego-Perota. Optyczny czujnik charakteryzuje się specyficzną konstrukcją głowicy pomiarowej. Głowica jest wielowarstwową strukturą, naniesioną na koniec odsłoniętego włókna światłowodowego, której parametry optyczne i geometryczne są tak dobrane, by spełniała ona warunek interferencji dla pomiarowej długości fali. Wnęka rezonansowa jest warstwą wykonaną z materiału chemochromicznego, który wskutek absorpcji atomowego wodoru zmienia swoje parametry optyczne. Pierwsze zwierciadło (od strony włókna) jest zwierciadłem półprzepuszczalnym i może ono być dielektryczne lub metaliczne. Drugim zwierciadłem jest natomiast cienka warstwa katalityczna, korzystnie wykonana z palladu. Głowicę sensorową opcjonalnie można wyposażać w dodatkową polimerową lub metaliczną warstwę ochronną. Metaliczna warstwa, wykonana korzystnie z glinu, ma jeszcze jedną funkcję. Jej zadaniem jest zwarcie pola fali elektromagnetycznej na zewnątrz układu warstw.

W dokumentacji zgłoszeniowej CN103234672 ujawniono oparty na kompensacji temperaturowej światłowodowy czujnik ciśnienia z kryształem dwójłomnym i sposób jego wytwarzania. Czujnik zawiera optyczną głowicę z interferometrem Fabry'ego-Perota, którego długość wnęki zależy od wielkości działającego ciśnienia, kryształ dwójłomny, soczewkę kolimującą, szklaną kapilarę, rurki ze szkła kwarcowego i światłowód wielomodowy. Sygnały optyczne kolejno przechodzą przez dwójłomny kryształ i światłowodową głowicę czujnika ciśnienia Fabry'ego-Perota, a następnie moduluje się różnicę drogi optycznej. Dwukrotny pomiar ciśnienia i temperatury uzyskuje się przez wykrywanie zmienności różnicy drogi optycznej dwójłomnego kryształu i światłowodowej głowicy pomiarowej Fabry'ego-Perota. Warstwa dwójłomna umieszczona jest za wnęką rezonansową, a zatem sygnał odbity podany na wejście spektrometru lub analizatora widma sygnału optycznego da w wyniku jeden zestaw prążków, tak jak dla „klasycznego” interferometru Fabry'ego-Perota, niezależnie od wartości różnicy dróg optycznych wprowadzanej przez kryształ dwójłomny.

Celem wynalazku jest opracowanie światłowodowego przetwornika pomiarowego, stanowiącego uniwersalną bazę do budowy specjalistycznych, o ściśle określonym przeznaczeniu, czujników pomiarowych wykorzystujących łatwo dostępny jednomodowy światłowód telekomunikacyjny.

Światłowodowy przetwornik pomiarowy zawierający naniesioną na koniec włókna światłowodu głowicę sensorową o wielowarstwowej strukturze interferometru Fabry'ego-Perota, zawierającego dwie płasko-równoległe warstwy odbijające, pomiędzy którymi znajduje się wnęka rezonansowa, korzystnie osłoniętą kapilarą charakteryzuje się według wynalazku tym, że materiałem wnęki rezonansowej jest materiał dwójłomny, zaś światłowód jest światłowodem jednomodowym, pracującym w tr ybie odbiciowym.

Korzystnie materiałem wnęki rezonansowej jest materiał dwójłomny oraz materiał izotropowy, przy czym materiał dwójłomny jest w postaci płytki opóźniającej w zakresie od 0,1 do 0,5 długości fali, umieszczonej we wnęce rezonansowej od strony światłowodu.

Korzystnie materiał dwójłomny jest materiałem jednoosiowym.

Interferometr wchodzący w skład przetwornika według wynalazku składa się z dwóch płasko-równoległych czołowych powierzchni odbijających oddalonych od siebie wnęką rezonansową. Odbicie promieniowania optycznego od powierzchni światłowodu jednomodowego i powierzchni drugiej warstwy naniesionej na ten światłowód lub powierzchni zwierciadła wynika ze zjawiska Fresnela lub z zastosowania dielektrycznych lub metalicznych warstw odbijających.

Charakterystyki spektralne promieniowania odbitego od takiego interferometru zależą od długości wnęki rezonansowej i współczynników załamania: światłowodu i materiału wnęki rezonansowej. W znanych interferometrach, we wnęce rezonansowej znajdują się materiały izotropowe, jeżeli chodzi o współczynnik załamania.

PL 233 804 Β1

We wnęce rezonansowej rozwiązania według wynalazku znajduje się jednoosiowy materiał dwójłomny, którego oś optyczna jest równoległa do powierzchni odbijających, a jej kierunek jest stały w całej wnęce. Wchodząc do wnęki rezonansowej interferometru, padająca fala płaska jest rozdzielana na dwie fale składowe, spolaryzowane liniowo w kierunkach do siebie prostopadłych. Jeden z kierunków pokrywa się z kierunkiem osi optycznej. Jeżeli we wnęce nie występuje znaczące rozpraszanie, to obie fale są propagowane we wnęce bez wymiany energii i można je rozpatrywać oddzielnie.

Jeżeli fala padająca na interferometr jest niespolaryzowana lub spolaryzowana kołowo, to natężenie odbitego promieniowania optycznego wyraża się wzorem:

(1) gdzie:

F - współczynnik finezji (ang. finesse) δ₀ - różnica fazy odpowiadająca dwukrotnemu przejściu fali zwyczajnej (ang. ordinary wave) przez wnękę interferometru („z lewej do prawej i z prawej do lewej”), albo różnica fazy między dwiema kolejnymi wiązkami fali zwyczajnej odbitymi od interferometru, przy czym

λ - długość fali, h - długość wnęki, n₀ - współczynnik załamania dla fali zwyczajnej, δ_θ - różnica fazy odpowiadająca dwukrotnemu przejściu fali nadzwyczajnej (ang. extraordinary wave) przez wnękę interferometru („z lewej do prawej i z prawej do lewej”), albo różnica fazy między dwiema kolejnymi wiązkami fali nadzwyczajnej odbitymi od interferometru

λ - długość fali, h - długość wnęki, n₀ - współczynnik załamania dla fali zwyczajnej.

Pracę interferometru według wynalazku można rozpatrywać w dwóch przypadkach. W pierwszym przypadku, gdy współczynniki odbicia obu powierzchni odbijających są wysokie, a zatem współczynnik finezji wynosi F»1, a materiałem wnęki rezonansowej jest materiał dwójłomny. Stosunek natężenia promieniowania odbitego do natężenia promieniowania padającego Ι_Γ(λ)/Ιί(λ) staje się sumą dwóch systemów prążków, jak przedstawiono to na fig. 2, gdy różnica faz wynosi δ_θ-δ₀= π/2 albo na fig. 3, gdy różnica faz wynosi δ_θ-δ₀ = π/5.

Jeżeli różnica faz wynosi δ_θ-δ₀ = π/2, to w dowolnym zakresie widmowym otrzymuje się podwójną liczbę prążków, w porównaniu do liczby prążków interferometru Fabry'ego-Perota z wnęką wypełnioną wyłącznie materiałem izotropowym. Właściwość ta może zostać wykorzystana w interferometrach o bardzo krótkiej wnęce rezonansowej w celu ograniczenia szerokości widma promieniowania optycznego wymaganego do poprawnego przeprowadzenia pomiarów.

W ten sam sposób będzie się jednak zachowywał się interferometr Fabry'ego-Perota w wariancie wynalazku, z wnęką wypełnioną materiałem izotropowym, o ile we wnęce tej dodatkowo umieszczona jest płytka opóźniająca w zakresie od 0,1 do 0,5 długości fali wykonana z materiału dwójłomnego.

Pomiar z wykorzystaniem interferometru według wynalazku może być realizowany w zakresie długości fali 1200-1300 nm lub 1600-1700 nm. Realizacja pomiaru w tych zakresach długości fali jest problematyczna, głównie ze względu na brak źródeł promieniowania optycznego pracujących w tych zakresach długości fali. Zmiana położenia minimów wymagałaby zwiększenia grubości warstwy we wnęce, co nie zawsze jest możliwe, ze względu na ograniczenia procesów nakładania warstw. Wprowadzając do wnęki element dwójłomny o przesunięciu fazy wynoszącym 3/8 π rad dokonujemy modyfikacji charakterystyki widmowej w taki sposób, że uzyskujemy dodatkowe minimum dla fali o długości

PL 233 804 B1 ok. 1550 nm, co umożliwia prostą realizację pomiaru, w oparciu o tani i szeroko dostępny sprzęt telekomunikacyjny. Zastosowanie materiałów dwójłomnych pozwala na uzyskanie jakościowo nowej klasy interferometrów Fabry'ego-Perota.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym:

fig. 1 przedstawia schematycznie przetwornik, w którym materiałem wnęki rezonansowej jest materiał dwójłomny w przekroju pionowym, fig. 2 przedstawia charakterystykę widmową stosunku Ir/li w interferometrze Fabry'ego-Perota, w którym materiałem wnęki rezonansowej jest materiał dwójłomny, przy wartości F=100 i różnicy faz wynoszącej δθ-δα = π/2, fig. 3 przedstawia charakterystykę widmową stosunku Ir/li w interferometrze Fabry'ego-Perota, w którym materiałem wnęki rezonansowej jest materiał dwójłomny, przy wartości F=100 i różnicy faz wynoszącej δθ-δα = π/5, fig. 4 przedstawia schematycznie przetwornik z płytką opóźniającą i zwierciadłem w przekroju pionowym, fig. 5 przedstawia schematycznie przetwornik z płytką opóźniającą i zwierciadłem, umieszczony wewnątrz kapilary w przekroju pionowym, fig. 6 przedstawia charakterystykę widmową stosunku Ir/li przy F=100 i różnicy faz wynoszącej 5e-5o = 3/8 π w interferometrze Fabry'ego-Perota z płytką opóźniającą, fig. 7 porównawczo przedstawia charakterystykę widmową stosunku Ir/li w interferometrze Fabry'ego-Perota, w którym materiałem wnęki rezonansowej jest materiał izotropowy, przy wartości F=100.

P r z y k ł a d I

Przetwornik z wnęką rezonansową wypełnioną materiałem dwójłomnym jednoosiowym jak pokazano na fig. 1.

Na czoło światłowodu jednomodowego 1 w znany sposób naniesiona jest pierwsza warstwa 2 odbijająca promieniowanie optyczne o wymaganym współczynniku odbicia R (np. R=0,8). Warstwa ta charakteryzuje się możliwie małymi stratami, tzn. współczynnik transmisji T jest możliwie bliski 1-R. Wnęka rezonansowa 3 wypełniona jest materiałem 4 dwójłomnym jednoosiowym o wymaganej różnicy faz, np. π/2 rad lub π/5 rad, w postaci warstwy wykonanej poprzez polerowanie lub trawienie np. kryształu kalcytu lub ortowanadanu itru w taki sposób, aby oś optyczna była równoległa do powierzchni warstwy. Tak wykonaną warstwę 4 przykleja się za pomocą beznaprężeniowego kleju optycznego do czoła światłowodu 1 na uprzednio naniesioną pierwszą warstwę odbijającą 2. Przyklejoną warstwę 4 przycina się do wymiarów czoła światłowodu 1. Warstwę 4 materiału dwójłomnego osadza się na czole światłowodu 1 np. za pomocą techniki CVD (ang. Chemical Vapour Deposition). Na tak wykonana warstwę 4 materiału dwójłomnego naniesiona jest druga warstwa 5 odbijająca promieniowanie optyczne.

P r z y k ł a d II

Przetwornik z płytką opóźniającą jak pokazano na fig. 4

Przetwornik wykonany jest jak w przykładzie I, przy czym materiał dwójłomny 4 wykonany jest w postaci płytki opóźniającej ćwierćfalowej o różnicy faz 3/8 π. Na tak wykonaną płytkę opóźniającą 4 naniesiony jest materiał izotropowy 6 stanowiący materiał czujnikowy, którego współczynnik załamania, grubość, rodzaj oraz sposób nanoszenia są znane i zależą od wartości wielkości mierzonej (np. temperatury). W przypadku czujnika temperatury jest to warstwa ditlenku tytanu TiO2 lub tlenku cynku ZnO wytwarzana w technice osadzania warstw atomowych (ang. ALD- AtomieLayerDeposition) lub w technice CVD (ang. Chemical Vapour Deposition). Na warstwę materiału izotropowego 6 naniesiona jest druga warstwa 5 odbijająca promieniowanie optyczne. Dla niektórych rodzajów warstw czujnikowych i rodzajów warstw odbijających konieczne jest nałożenie warstwy pośredniej, np. ze szkła kwarcowego (SiO2) o grubości kilkudziesięciu nanometrów, celem zapewnienia adhezji warstwy odbijającej do warstwy materiału czujnikowego.

P r z y k ł a d III

Przetwornik z płytką opóźniającą wewnątrz kapilary jak pokazano na fig. 5

Przetwornik zbudowany jest jak w przykładzie II. Do szklanej kapilary 7 o średnicy wewnętrznej nieco większej (1-5 mikrometrów) od średnicy światłowodu 1 i długości od kilku do kilkunastu milimetrów, o prostopadle do jej osi symetrii spolerowanych krawędziach, przyklejona jest płytka 5 drugiej warstwy odbijającej o średnicy nie mniejszej niż średnica zewnętrzna kapilary 7. Przetwornik wprowadzony jest do wnętrza kapilary 7, tak by warstwa czujnikowa dotykała zwierciadła 5. Wprowadzony do kapilary 7 światłowód 1 zamocowany jest w znany sposób poprzez klejenie lub spawanie.

Claims (3)

1. Światłowodowy przetwornik pomiarowy zawierający naniesioną na koniec włókna światłowodu głowicę sensorową o wielowarstwowej strukturze interferometru Fabry'ego-Perota, zawierającego dwie płasko-równoległe warstwy odbijające, pomiędzy którymi znajduje się wnęka rezonansowa, korzystnie osłoniętą kapilarą znamienny tym, że materiałem wnęki rezonansowej (3) jest materiał dwójłomny (4), zaś światłowód (1) jest światłowodem jednomodowym, pracującym w trybie odbiciowym.

2. Przetwornik według zastrz. 1, znamienny tym, że materiałem wnęki rezonansowej (3) jest materiał dwójłomny (4) oraz materiał izotropowy (6), przy czym materiał dwójłomny (4) jest w postaci płytki opóźniającej w zakresie od 0,1 do 0,5 długości fali, umieszczonej we wnęce rezonansowej (3) od strony światłowodu (1).

3. Przetwornik według zastrz. 1 albo 2 znamienny tym, że materiał dwójłomny jest materiałem jednoosiowym.